高温超导轴承转子系统在不同场冷偏心距下的动力学分析

发布时间：2021-10-13 21:56

　　高温超导轴承用超导材料在冷却过程中处于场冷状态,俘获磁通的存在使高温超导轴承具有自稳定性。场冷高度影响轴承的钉扎力,从而产生不同的刚度,最终导致整个轴系的转子动力学变化。本文以冷压缩机为应用背景,基于实验测量得到YBCO在不同场冷高度下的刚度值,利用有限元分析软件Ansys,得到设计轴系的模态频率和主轴振幅。结果表明,由于场冷偏心距的存在,导致高温超导轴承合力比不偏心时大,从而改善了转子的动力学特性。 

【文章来源】：低温与超导. 2020,48(02)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

测量仪及超导样品照片

随着场冷偏心增大,主轴的振幅减小,且振幅减小速度越来越大。总体来看,转子的振幅均<2 μm,但不同干扰位置对应的振幅有所不同。由于电机近似处于整个转子的中间位置,当干扰位置在电机处时,轴两端的振幅相差不大;当干扰位置偏向一侧时,该侧的振幅更大。表4为不同干扰位置场冷偏心距分别是0.8 mm与0时的振幅对比。表中可看出,当干扰位于电机转子部分时,轴下端和轴上端的振幅较小;当干扰位于靠近轴端的辅助轴承时,振幅较大。由于场冷偏心距的存在,导致径向高温超导轴承在不同方向俘获磁通的不同,从而在不同方向上产生的刚度不同。高温超导轴承的刚度随场冷高度并非线性变化,而是随场冷高度的减小,刚度增加越来越快。这种现象造成场冷偏心时,这一方向的高温超导轴承合力比不偏心时大,从而表现出转子系统在转子动力学方面的改善。由于高温超导轴承的刚度相对较低,这种改善在模态频率方面表现得不明显,但在主轴的振幅上表现得更明显。同时,由于刚度随场冷高度存在非线性变化,导致了主轴振幅随场冷偏心距的非线性变化。

理想情况下,冷压缩机工作前,首先将转子与轴承定子轴线对中保持同心,尽量保证超导定子在各方向具有相同的外磁场。对中后场冷,定子的俘获磁通较为均匀,各方向产生的作用力和刚度一致,保证转子有较好的稳定性。实际情况中,由于转子的永磁体产生的磁场、超导材料内部缺陷等不均匀及转子不对中等因素的存在,导致超导体在各方向具有不同的俘获磁通和刚度,从而影响了转子的动力学特性。本文忽略永磁体产生的磁场和超导材料内部缺陷的不均匀性,将俘获磁通和刚度的不均匀归因于转子的场冷偏心,即各方向场冷高度不同。与此同时,忽略叶轮体积与质量,仅研究轴系与超导轴承之间的关系。由于转子具有对称性,假设场冷偏心距只发生在x正方向上,y方向上不偏心,根据计算结果,可得不同初始偏心距下的刚度值,对超导轴承支撑部分简化为四个弹簧(+x方向、-x方向、+y方向、-y方向)的支撑,弹簧刚度设置数据如表2所示,建模如图6所示。由于高温超导轴承阻尼很小[13],为便于计算,设计时按阻尼为0输入,可得不同偏心距的各阶模态频率。


本文编号：3435473